三维模拟仿真在铁路机车驾驶上的应用

张 赢

（呼和浩特铁路局科学技术研究所 内蒙古呼和浩特 010052）

三维模拟仿真在铁路机车驾驶上的应用

张 赢

（呼和浩特铁路局科学技术研究所 内蒙古呼和浩特 010052）

本文是通过运用3D Studio Max软件，建立适当的三维模拟仿真场景和电力机车模型，运用VRP交互虚拟现实平台软件进行编译开发，使机车司机通过电脑操控三维模拟仿真的HXD3D电力机车模型，在三维模拟仿真虚拟现实场景中进行电力机车驾驶标准化作业的学习。这将对机车司机的标准化作业提供真实可靠的模拟仿真环境，是一种比较实用的培训新入职机车司机标准化作业的方法。

三维仿真 3D Studio Max VRP

1 引言

铁路系统对新入职机车司机的培训一般采用比较传统的培训方式，即：授课、现场学习、练习、实际操作等方式来培训机车司机，这种传统的培训模式与方法具有一定的局限性和危险因素。运用三维仿真模拟的方式来培训司机，这样不仅可以使新入职的司机快速学习、了解、掌握机车驾驶的基本原理和标准化作业流程，而且可以避免去现场学习、练习时候所产生的局限性、危险因素。因此，三维仿真模拟在铁路机车驾驶上的应用具有很重要的意义，它不仅仅为新入职的机车司机提供一个快速入手、良好、真实、安全、可靠的培训环境与手段，而且三维仿真模拟驾驶培训系统，对新入职的培训司机而言，具有安全、经济、高效、培训过程可控可重复、便于进行突发事件及故障状态模拟等优点，有助于培训司机在特殊条件下的驾驶技能及应变能力。据相关资料统计，在三维仿真模拟驾驶设备上培训新入职的铁路司机，一般可节省30%的经费。

国内目前针对铁路机车驾驶的三维仿真模拟系统相关研究已取得了不少成果，并将其转化成产品投入使用，应用效果良好。市场上现有各种针对铁路系统研发设计的三维仿真模拟系统，尽管系统在设计界面和操作方式、方法上存在差异，但基本的原理与设计思路都是一致的。这类仿真模拟系统，虽然有效的解决了新入职机车司机的培训，但是并没有完全解决司机对实际现场环境的驾驶培训，而且价格较高，安装过程复杂，耗时长。对铁路局来说是一个较大的经济负担。

2 总体方案设计

开展研究，经过与铁路局机务处、总工室等部门共同研究，最终确定制作呼和浩特到呼和浩特东站的区间线路视景和HXD3D型电力机车模型。

（1）选定的区间线路距离工作场所较近，为现场数据采集提供便利，并可节约研究成本和缩短研究周期。

（2）选定的区间线路视景可满足基本的培训功能要求。

（3）HXD3D型电力机车是我局担当客运牵引任务的主力机型。

（4）我局已有的模拟操纵台还没有对HXD3D型机车的模拟操作功能，该项目的研究成果可弥补这一空白。

3 三维模型的确定

（1）呼和浩特站与呼和浩特东站站场视景制作。包括站房、站台、线路、道岔、信号机、接触网及周边建筑。

（2）呼和浩特站到呼和浩特东站区间二股正线线路及主要建筑。

（3）HXD3D型电力机车完全仿真模型的制作。

4 三维模型设计与建立

4.1 场景建模

建筑的三维模型的搭建相对简单，重点是对建筑模型的贴图。建模过程中，基本都是采用创建简单模型，然后对模型进行编辑、变形后，形成最终模型。需要注意的两点：第一，由于这个大场景的底图坐标是带一定角度的，所以在创建基本体后，使用修改命令对其进行编辑的时候要注意，因为模型会沿一定角度变化而非垂直或水平方向（比如挤出、移动等操作），造成模型严重变形，所以在对模型进行编辑修改时应先将其旋转为标准坐标方向，编辑完成后再旋转回来即可。第二，每建立一个模型，及时修改它的名字，命名最好有一定规律和特征，便于与其他制作人员所做的模型区分开，同时模型的名字也不易太长、太复杂，否则在VRP中导出或烘焙时容易报错。

4.2 HXD3D型电力机车建模

HXD3D型电力机车的三维建模属于高级建模，模型的构建比较复杂。建模过程中，采用的基本方法和技巧与场景建模基本一致，有所区别的是，在建模时，必须对模型的尺寸掌握的比较详细，以确保模型建好后不失真的同时，还可以完全可以装配起来，特别是机车内部机械间内的每个设备、部件的三维模型，必须按相应的比例进行建模，只有这样才能够装配到整个机车上，同时做好模型的命名工作，这样可以使后期的相关工作更加容易进行。

4.3 模型的合并调整

由于建立的建筑模型中，许多是一个小区内，模型完全相同或相似，都使用同一贴图，因此可以合并，以减少模型数量。合并的方法是：选择其中一个建筑模型a，点击右键选“Attach”，然后移动鼠标，在可以合并的另一模型b上鼠标指针变为“+”字形，点击鼠标左键，b模型外轮廓线颜色变成与a模型的一样，表示合并成功，依次点击c、d、e……多个模型就合并为一个。需要注意的是，不同贴图的模型绝对不能合并；另外实例复制的模型，需先点击“Make Unique”将其独立，再进行合并，因此实例复制也要谨慎使用。

4.4 模型的贴图制作

模型贴图的制作在整个建模过程中是非常重要的一个环节，如果贴图制作的不理想，会影响整个模型的质量，甚至会影响到后期在VRP中的编译。尽量不使用像素很大的贴图，一般新建大小为512*512或256*256的图片即可；其次，在一张图片上放置尽量多的修改好的图片，甚至可以是多个物体的贴图，以供多个模型使用，这样不仅可以减少了贴图数量，又将使用同一贴图的模型合并为一个物体，这也就减少了模型数量，并且避免了多维材质的产生，为后期这个场景导入VRP提供了良好的基础条件。

5 三维模型的效果

5.1 线路及站场模型

呼和站线路三维模型主要分为（线路、路基、接触网、电杆以及信号机等模型），具体如下图所示：

（1）呼和东站东侧线路三维模型，如图1所示：

（2）呼和东站西侧线路三维模型，如图2所示：

图1 东站东侧线路三维模型

图2 东站西侧线路三维模型

5.2 周围建筑及光影

（1）东站周围建筑及光影信息，如图3所示：

（2）呼和站建筑及光影信息，如图4所示：

图3 东站周围建筑及光影

图4 呼和站周围建筑及光影

5.3 机车模型与站场场景组合

HXD3D型电力机车模与站场场景模型合并后的整体模型，如图5所示：

6 三维模型与VRP交互编译

6.1 功能设计

在充分采纳现场工作人员的意见后，最终确定试验性的完成机车检查及一般操纵练习两个功能模块的模拟培训功能。主要包括：

（1）机车驾驶室检查标准化作业程序的学习、练习和考试。

图5 HXD3D型电力机车三维模型

（2）机车一般操纵程序的练习。

（3）机车驾驶模拟演练平台的开发。其主要功能是将上述培训模块集成到一起。

6.2 主要制作过程

（1）根据业务需求设计虚拟现实程序互动脚本。

（2）将前期制作的线路视景和机车模型导入到VRP编辑器中。

（3）按照互动脚本的设计要求，利用VRP编辑器的功能完成作业程序的模拟演练程序编制。（4）利用VRP编辑器打包生成可独立运行的可执行文件。

（5）将制作完成的培训模块集成到机车驾驶模拟演练平台中。

6.3 VRP的编译

（1）机车驾驶模拟演练平台。如图6所示。

（2）机车驾驶室检查标准化作业程序的练习模块。如图7所示。

图6 机车驾驶模拟演练平台主界面

图7 机车驾驶室检查练习模块操作界面

（3）机车驾驶室检查标准化作业程序的考试模块，如图8所示。

（4）机车操纵程序的练习模块。如图9所示。

7 结语

通过对实际现场用户需求的了解，由于开发人员非铁路专业技术人员，不熟悉铁路规章制度，对实际现场提出的很多实际需求无法实现，因此，现有三维仿真模拟系统与实际现场作业情况仍然存在诸多差异。同时，由于造价昂贵，各局各站段以及全路其它单位拥有三维仿真模拟系统设备数量较少、培训机会匮乏。所以，采用自主研发的方式不仅能最大程度满足现场实际需求，还可以成本低，并且使学习资源变得充足，具有广阔的市场空间，良好的推广前景。

图8 机车驾驶室检查考试模块操作界面

图9 机车操纵程序练习模块

三维仿真模拟的系统开发，作为提高驾驶员操作技能、保证运输安全的重要工具，受到越来越多的铁路部门所青睐，而且市场上从事该系统开发的其它公司屈指可数，因此由我局独立研发拥有完全自主知识产权的列车模拟驾驶培训系统意义重大，既可节约采购成本，又可丰富培训资源，其研究成果的推广也将带来良好的社会和经济效益。

Application of Three-Dimensional Simulation in Railway Locomotive Driving

ZHANG Ying
(Science and Technology Research Institute of Hohhot Railway Bureau Hohhot Inner Mongolia 010052 China)

Through the use of three-dimensional Studio Max software, this thesis aims to establish appropriate three-dimensional simulation scene and electric locomotive model, compiled by VRP interactive virtual reality development platform software, locomotive drivers can control HXD3D electric locomotive model in three-dimensional environment with computers, and carry out the learning of standard driving in three-dimensional virtual reality. This will provide a true and reliable simulation environment for the standard operation of locomotive drivers, and is a more practical method for training the new drivers.

three-dimensional simulation 3D Studio Max VRP

A

1673-1816(2016)04-0080-05

2016-03-10

张赢（1982-），男，内蒙古呼伦贝尔人，工程师，硕士研究生。